碳纤维板材加固桥梁受拉区混凝土界面性能研究

吴红权

(中铁五局集团 第六工程有限责任公司，重庆 401120)

0 引言

随着土木工程技术的大力发展，建筑结构日趋大型化、复杂化，使得以桥梁工程为主的交通线路上重要结构的安全运营难度在不断提升，同时，由于环境、材料、超载运营等因素的作用导致混凝土结构不可避免地发生各种损伤。这些结构性损伤随着时间的累积而不断发展，最终导致结构出现致命性损坏，严重危及人民生命财产的安全和社会经济的发展。针对桥梁、建筑工程等大型混凝土构件，一种基于碳纤维材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)的混凝土加固技术逐渐被国内外工程师所重视并进行了相关研究［1－3］。由于碳纤维材料的高强、轻质、抗腐蚀性好、施工操作方便等特点，成为了人们研究的热点技术。国内外相关研究表明，碳纤维材料加固混凝土构件的成功与否主要取决于该材料与混凝土之间粘结性能的好坏［4～6］，在碳纤维材料与混凝土界面粘结效果保证良好的情况下，能充分发挥碳纤维抗拉强度高的特点，与被加固结构形成受力统一的整体，从而达到提高结构承载能力的目的。反之，若碳纤维材料与混凝土界面的粘结强度不高，则碳纤维材料的性能优势不能发挥，会大大降低加固效果。因此，针对碳纤维材料与混凝土结构的粘结性能研究是十分关键问题，对于采用碳纤维材料加固混凝土结构而言，影响其界面粘结性能的因素有很多，本文着重从粘结剂的种类以及粘结胶层的厚度着手，通过理论分析和试验研究的方法探讨不同粘结胶层刚度和不同胶层厚度对界面粘结性能的影响。根据模型试验结果，对我省国道上某T 梁桥碳纤维板加固工程进行了优化设计，取得了良好的加固效果。

1 碳纤维－混凝土粘结界面模型

碳纤维材料加固混凝土结构的界面受力模型一直是学者们研究的重点，根据现有文献的调查研究表明，碳纤维－混凝土的截面模型根据其本构关系可以分为粘结强度模型［7］和粘结滑移模型［8］两大类。粘结强度模型主要针对碳纤维与混凝土界面发生剥离时的极限承载力进行分析，无法给出其剥离过程和应力应变分布规律。而粘结滑移模型相关更为复杂，能够解释碳纤维－混凝土界面的剥离过程。国内外大量的研究多是针对粘结强度模型而开展的，由于粘结滑移模型复杂的函数关系和非线性问题使得这方面的研究相对要少得多。陆新征等人［9］根据现有的12 个粘结强度模型和5 个界面粘结滑移模型为基础，给出了一种碳纤维－混凝土界面的双线性粘结滑移模型。

碳纤维－混凝土之间发生剥离的极限承载力按式(1)～式(7)计算:

式中:L 为碳纤维材料与混凝土的粘结长度;Le为碳纤维材料的有效粘结长度，根据公式(3)可以求得;ft为混凝土抗拉强度;βf为碳纤维材料与混凝土界面的宽度影响系数;Ef为碳纤维材料受拉弹性模量;tf为碳纤维材料厚度;S0为碳纤维材料与混凝土在极限剥离时的相对滑移量，由S0=0.019 5βfft+Se求得，Se为界面总滑移量中的弹性部分，由粘结胶层的剪切刚度和混凝土的剪切刚度所所决定;Gf为界面破坏能

通过碳纤维材料与混凝土间的界面滑移模型，可以计算得出碳纤维材料加固结构的极限剥离承载力。这是研究界面粘结性能的基础。

2 碳纤维材料加固混凝土双剪模型试验

2.1 模型设计

为了研究碳纤维材料与混凝土界面间粘结性能与其参数的影响，国内外学者设计了多种界面性能试验方法，包括直接拉拔试验、单边剪切试验和双边剪切试验。本文在参考相关文献的基础之上［10］，设计了一种碳纤维加固混凝土结构的双面剪切试验模型。模型如图1 所示，由两个尺寸为300 mm×150 mm×150 mm 的C30 混凝土立方体试块构成，取其中两面粘贴厚度为1 mm 的碳纤维板，碳纤维板抗拉强度为2 400 MPa，受拉弹性模量为1.65×105MPa。根据碳纤维有效粘结长度的理论，为了使界面破坏发生在预计的一侧，我们设计了两种碳纤维粘贴长度，分别为200 mm 和100 mm，以此保证在有效粘贴长度范围内，界面最终的破坏会发生在粘贴长度较短的一端。为了减少试验过程中两混凝土试块由于轴线不对称而导致的偏心受力影响，在两试块连接处设置了由4 组钢套筒组成的连接装置。

图1 双剪模型试验设计图(单位:mm)

根据本试验需要研究的影响参数，设计了3 种不同的模型，根据不同粘结胶和不同胶层厚度分类如表1。通过试验结果可以得到不同胶层厚度和不同粘结胶刚度对界面粘结性能的影响，其中，对于文中采用的两种粘结胶的性能参数如表2 所示。

表1 试件设计参数表

表2 两类粘结剂性能表

2.2 测试方案

碳纤维板材加固混凝土结构界面粘结性能的研究主要通过静载试验完成，试验过程中主要测量碳纤维板的应变、界面极限承载能力和破坏特征。通过在预计破坏的一端布置间距为1 cm 的应变片测量碳纤维材料在加载过程中的局部剪应力，分析其受力传递规律与破坏模式。具体应变片测点布置如图2 所示。本文的静载试验加载装置采用MTS 万能材料试验机，从0 kN 开始加载，按2 kN 一级进行分级加载，记录试验过程中碳纤维板材各测点的应变变化和界面破坏特征，加载直至界面发生剥离破坏，应变测量采用TDS－303 静态应变采集仪。

图2 静载试验应变测量布置

3 静载试验结果及分析

3.1 双线性粘结滑移模型有效性分析

通过对3 个双剪模型试件的静载试验可以发现，3 个试件的界面破坏均发生在碳纤维板材粘结长度较短的一端，很好的证明了有效粘结长度理论［11］，最终的破坏形式均为碳纤维板材与混凝土之间的胶层界面发生剥离破坏(图3)。静载试验过程中没有出现混凝土的劈裂破坏，说明混凝土强度达到了设计要求。表3 为3 个试件主要试验结果。其中界面剥离破坏的极限荷载为本文第1 节给出的双线性粘结滑移模型所计算得到。

图3 碳纤维板材界面剥离破坏

表3 主要试验结果

从上表中可以看到，碳纤维板材与混凝土间的界面极限剥离承载力理论计算值为37.1 kN，而实际试验值为33、42、40 kN，理论值与实测值间最大误差为13%，考虑到试验误差等因素，可以认为碳纤维－混凝土界面的双线性粘结滑移模型能较好地模拟界面的实际破坏。

3.2 粘结胶层刚度对界面极限承载力的影响

表3 中给出了不同种类的粘结胶(试件1 和试件2)对试验结果的区别。包括本文提到的碳纤维－混凝土界面的双线性粘结滑移模型在内，一般的粘结强度模型和粘结滑移模型都认为胶层刚度对界面极限承载能力的影响并不显著，把其看作一个不变的常量。而本试验所采用的两种粘结胶，不同的粘结胶层剪切刚度有所差异，从试验结果可以看到，由于破坏发生在碳纤维和混凝土界面间的胶层中，因此对于不同的胶层剪切刚度，我们认为界面破坏时极限承载能力也有所不同。

3.3 粘结胶层厚度对界面极限承载力的影响

试件2 和试件3 为同一种粘结胶不同胶层厚度的两个对比试件，从静载试验结果可以看到，对于不同胶层厚度，其界面破坏的极限承载能力也有差异。对于胶层厚度较薄的试件，最终极限承载力要稍高于胶层厚度大的试件。图4 ～图6 为两对比试件碳纤维板材在粘结区端部(0 cm)、中部(5 cm)和前端(10 cm)的应变变化对比图。

图4 粘贴区端部(0 cm)应变对比

图5 粘贴区中部(5 cm)应变对比

图6 粘贴区前端(10 cm)应变对比

从上图可以看到，由于胶层厚度的影响导致两试件碳纤维界面同一位置的应变有所区别，胶层厚度大的试件在各级荷载作用下碳板的应变要大于胶层厚度较小的试件，这说明随着粘结胶层厚度的增大，其剪切刚度相应减少，碳纤维－混凝土间的整体受力性能会随之减弱，局部位置的变形会有所增大，最终导致界面发生剥离破坏时极限承载力下降。

4 基于研究结果的工程应用

我省国道上某桥梁全长40 m，宽9 m，为正交结构，桥梁上部结构为2×20 m 钢筋混凝土空心板，下部结构为重力式桥墩(台)，该桥迄今为止已服役运营近46 a，由于超载等因素导致桥梁承载能力不足，不能满足现有设计荷载等级。针对该桥状况，拟采用碳纤维板材加固技术对桥梁各跨的空心板底受拉区进行加固，以提高主梁的抗弯刚度，减小挠曲变形及受力裂缝。

根据前述碳纤维－混凝土界面性能试验研究结果，我们知道，加固后结构的极限承载能力会随着加固粘结胶层刚度和粘结胶层厚度的变化而不同，为了达到最好的加固效果，充分发挥碳纤维板材受拉强度高的特点，本文对该桥加固设计进行了优化，将原设计方案的粘结胶层厚度由2 mm 优化为1.2 mm。由表3 以及图4 ～图6 的结果得到，随着粘结胶层厚度从2 mm 减少至1.2 mm，碳纤维板材与混凝土界面的极限承载力增大了5%。对全桥空心板底加固粘结胶层厚度调整之后，能有效地提高加固后结构的承载能力，避免碳纤维材料在发生破坏前主体结构已失效的现象(图7)。

图7 某混凝土空心板桥加固效果

5 结论

1)双线性粘结滑移模型能很好地模拟碳纤维－混凝土界面间的受力情况，能较为准确地计算出界面发生剥离破坏时的极限承载力。

2)不同粘结胶层对界面极限剥离承载力有一定影响，由于不同种类粘结胶剪切刚度的差异，导致界面发生破坏时极限承载力不同，因此本文认为界面的极限承载能力与胶层剪切刚度之间存在一定关系，在今后的计算中可以考虑此因素的影响。

3)碳纤维材料粘结胶层的厚度对界面破坏时极限承载力也存在一定影响，随着胶层厚度的增大，碳纤维与混凝土间整体受力性能随之减弱，从而影响界面极限承载能力。

4)在试验研究的基础上，调整碳纤维板材加固桥梁受拉区胶层厚度和刚度等设计参数能有效地提高加固后桥梁结构的极限承载力，对保障桥梁安全、提高材料利用率有很大帮助。

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